Avaliação do impacto da incorporação do traçado das ruas na simulação de inundações urbanas
Marcela Rafaela de Freitas Silva1 Adriano Rolim da Paz 2
1, 2, Universidade Federal da Paraíba – UFPB Departamento de Engenharia Civil e Ambiental - CT Campos I, João Pessoa – PB, 58051-900. (83) 32167355
marcela.rafaela@gmail.com adrianorpaz@yahoo.com.br
Abstract. The street burning is a procedure that consists in adjusting a digital elevation model (DEM) to streets
paths, by lowering DEM pixels located along the streets. It can be used to create a DEM to be applied to simulate urban floods with two-dimensional hydrologic models (2D). This paper aims at evaluating the impact of incorporating streets path to DEM in 2D inundation modeling, considering as a case study the urban catchment of Arroio Moinho da Areia, in Porto Alegre. The street burning procedure was applied using 20, 30 and 40 cm depths for lowering elevation along the streets. Urban flood simulations were performed for a design rainfall of 100-years time of recurrence and duration of about 1 hour and 40 minutes. The 2D inundation model was run for each modified DEM, and also for the original DEM. A post processing algorithm was used to analyze the results. The results show how the depth value used on street burning can influence the characteristics of the inundation simulated within the 2D model, such as water depths, percentage of inundation and inundation extent. As these variables are related to estimates of damages and costs, and used as input information for decision support systems, it is important to detect the variation of results due to the value used to street burning.
Palavras-chave: modelagem hidrológica, inundações urbanas, street burning.
1. Introdução
A tendência da população brasileira em viver em centros urbanos acentuou-se mais nas últimas décadas, principalmente em cidades de porte médio. Esse processo de crescimento resulta em processos inadequados de urbanização, que acarretam impactos ambientais severos (Tucci, 2001). Um dos maiores problemas se refere ao acúmulo de lixo, esgoto e sedimentos que se acumulam nos condutos e nos corpos d’água (Poleto, 2012), dando origem à problemática das inundações urbanas.
Uma das formas para prevenir as inundações é estimar seus impactos para vários tipos de cenários, a partir de mecanismos de modelagem hidrológica. Existem vários tipos de modelos, para diferentes aplicações. A escolha depende da proposta do estudo, dados disponíveis e das características da área estudada (Paz et al., 2012). Este estudo usa um modelo 1D para simular o fluxo de água ao longo da rede de condutos, acoplado com um modelo 2D que calcula as vazões que extravasam da rede 1D. A troca de água ocorre de acordo com as elevações (topografia) e o nível de água. Para determinar a topografia nas regiões em que os modelos são simulados, usa-se o Modelo Digital de Elevação da área, que apresenta as elevações de terreno (Meller et al., 2007).
Modelos Digitais de Elevação são amplamente usados para determinar caminhos de fluxo, delimitações automáticas de bacias, rede de drenagem, entre outros. Porém, em inundações urbanas, o MDE não possui discretização suficiente para representar os caminhos preferenciais de escoamento, que são as ruas (Callow et al., 2006). Para isso, são usados métodos que modificam o MDE e melhoram sua qualidade, como a incorporação do traçado das ruas, processo conhecido como Street Burning (Paz e Collischonn, 2007). Esse processo
usa uma representação em formato raster do layer vetor das ruas para “cavar” o MDE em um valor qualquer estabelecido pelo usuário, pois assim, conseguem-se os rebaixamentos necessários para a representação das ruas no MDE (Collischonn et al., 2009). O Street Burning apresenta vantagens como a simplicidade computacional para a aplicação do método e o comprometimento de poucos pixels da imagem (Chen et al., 2012).
Esta pesquisa avalia o efeito da incorporação do traçado das ruas na simulação 2D de inundações urbanas, pela escolha dos valores para o street burning de 0.2, 0.3 e 0.4 metros. Como estudo de caso é tomada a Bacia Arroio do Moinho da Areia, localizada em Porto Alegre.
2. Metodologia
2.1. Estudo de caso e dados disponíveis
A área usada como estudo de caso para as simulações do modelo de inundação urbana é a bacia Moinho da Areia, localizada em Porto Alegre (RS), por já ser alvo de estudos descritos em Paz et al., 2011. Possui área de aproximadamente 12 km² e curso principal com 5,4 km de comprimento.
Os dados de chuva usados são referentes a eventos de projeto de 100 anos de recorrência, com simulações que duram aproximadamente 1 h e 40 min. Para gerar os mapas de profundidade para a Bacia Moinho da Areia é usado o MDE disponível para a região, com resolução espacial de 5 metros.
2.2. Procedimento de Street Burning
Para delimitar os traçados das ruas no MDE original da bacia, usou-se o street burning, que consistiu em converter em formato de raster, os traçados das ruas originalmente em formato de vetor. Sendo assim, foi criada uma imagem raster com atributos qualitativos: valor 0 para os pixels não situados ao longo das ruas e valor 1 para pixels que representam as ruas. Foi então subtraído do MDE original o raster das ruas multiplicado pelo valor que se quer rebaixar. Para o estudo em questão, foram usados valores de 0.2, 0.3 e 0.4 metros.
Os modelos digitais de elevação moficados pelo street burning foram usados como arquivos de entrada para o modelo 2D de simulação de inundações urbanas, para estimar o impacto desse procedimento nos resultados das simulações.
2.3. Modelo 2D
2.3.2. Visão Geral e Descrição das Simulações
O modelo de inundação 2D é uma adaptação do módulo 2D de simulação para modelagem hidrológica de áreas urbanas chamado SIRIPLAN (Paz et Al, 2011). O SIRIPLAN foi inicialmente desenvolvido para simular grandes sistemas de rios e planícies de inundação. O modelo usa uma abordagem de onda cinemática para simular o fluxo entre elementos vizinhos ortogonais dentro de uma grade quadrada. Esse fluxo é calculado usando as diferenças na topografia e de profundidade entre os elementos, usando uma versão adaptada da equação de Manning (Silva et al, 2012).
A entrada de água ocorre apenas através de elementos da grade localizados acima de bueiros ou outras estruturas hidráulicas, devido ao extravasamento de água da rede 1D de
condutos. As vazões extravasadas que vão para a superfície são tomadas como hidrogramas de entrada para a simulação do modelo 2D.
Foram realizadas simulações usando como entrada o MDE original (sem rebaixamentos) e posteriormente usando MDEs rebaixados pelo street burning. Os resultados são layers em formato raster, que representam as profundidades ocorridas em cada minuto de simulação e são analisadas nesse estudo.
2.3.3. Método de Análise de Resultados
Para analisar com maior agilidade e gerar resultados numéricos automáticos a partir dos mapas de profundidade oriundos do modelo 2D, foi usado uma ferramenta computacional de pós-processamento de resultados, escrita em linguagem de programação Fortran e descrita em Silva et al, 2012.
A ferramenta de pós-processamento de resultados gera vários mapas com diversas variíaveis, entre eles um mapa de profundidade máxima por pixel, porcentagem de inundação e tempo de alcance da profundidade máxima, que são analisados adiante para cada rodada do modelo 2D.
Os resultados numéricos obtidos dão origem a gráficos que indicam o comportamento da inundação ao longo do intervalo simulado para os vários valores de rebaixamento utilizados no street burning.
3. Resultados e Discussão
Como resultado da simulação do modelo 2D de inundação para o estudo de caso desde trabalho, foi gerado um total de 98 mapas de profundidade para cada rodada do modelo. Os mapas de profundidade de cada rodada foram usados como arquivos de entrada pra o algoritmo de pós-processamento de resultados, obtendo-se diversos mapas que caracterizam a inundação.
Os mapas de profundidades para 50 e 90 minutos são apresentados na Figura 1, referentes à simulação sem street burning, seguido por mapas que representam as diferenças entre o burning realizado e o MDE original, sem rebaixamentos.
Observa-se que para o street burning de 20 cm, no intervalo de 50 minutos, o valor mínimo das profundidades aumenta nas áreas que foram rebaixadas para representar o traçado das ruas. Em contrapartida, diminui em áreas que não possuem ruas, devido ao sentido do escoamento (das áreas mais elevadas para as mais baixas), já que o volume de água total permanece o mesmo e se desloca para as regiões rebaixadas.
O mesmo acontece com os mapas referentes à aplicação do burning com 30 e 40 cm. Nota-se que nas regiões referentes às ruas, as profundidades aumentam proporcionalmente à medida em que a profundidade do burning é aumentada. No mapa das diferenças entre as profundidade da inundação obtidas com o burning de 30 cm e as obtidos com o MDE original, no intervalo de 50 minutos de simulação, há um aumento de áreas com profundidades entre 0 até 0,05 metros e de 0,2 até 0,5 metros, em relação ao burning de 20 cm. Em contrapartida, as áreas com diminuição das profundidades em relação ao MDE original (profundidades negativas na legenda) aumentam também, graças ao maior escoamento e deslocamento de água das regiões mais elevadas para as mais rebaixadas. Para 40 cm de burning, o mesmo ocorre, com maior presença de regiões com profundidades de 0,2 até 0,5 metros e de 0,5 até 2,0 metros e maiores áreas com diminuição de profundidades devido ao maior escoamento pra as áreas de ruas.
Para os mapas de 90 minutos, o mesmo raciocínio é usado, entretanto, com um volume de água menor, já que o auge da inundação ocorre aproximadamente aos 50 minutos e, aos 90 minutos, as profundidades já estão menores, como mostra o gráfico de profundidades máximas em relação ao tempo de simulação (Figura 2).
Figura 1- Mapas de profundidades gerados pelo modelo 2D de inundações. A primeira coluna é referente a simulações sem street burning; as seguintes representam a diferença entre as profundidades usando o burning e primeira coluna.
0 1 2 3 4 5 6 7 0 15 30 45 60 75 90 105 P ro fu n d id ad e m áx im a (m e tr o s) Tempo (min) sem burning burning 20 cm burning 30 cm burning 40 cm
Figura 2 – Gráfico de profundidades máximas em relação ao tempo para os valores de rebaixamento estudados.
Os mapas gerados pelo algoritmo de pós-processamento de resultados mostram análises da inundação de acordo com a situação de cada pixel de forma integrada no tempo (Figura 3). O primeiro mapa de cada coluna refere-se à rodada do algoritmo usando o MDE original, e os demais mapas apresentam a diferença dos resultados entre as rodadas usando valores de street burning e usando o MDE original.
Para a porcentagem de inundação ao longo do tempo das diferenças entre os burnings e o MDE original, há inicialmente uma tendência a áreas com frequências de inundações negativas em relação o MDE sem burning. Porém, a medida que os valores da escavação aplicada pelo street burning aumentam, aparecem áreas bem delimitadas com frequência de inundação positiva entre 0,1 e 15% e negativa entre -15 e 0,1%. Ou seja, quanto maior o valor rebaixado, mais acentuada é a diferença entre as porcentagens de inundação das áreas que se destacam no mapa. A tendência é que áreas rebaixadas aumentem sua porcentagem de inundação, enquanto as que não sofrem burning diminuam sua porcentagem. Na aplicação 40 cm de street burning, as regiões que apresentam traçados de ruas estão bem delimitadas com diferença na porcentagem do tempo de inundação de 15%, enquanto as regiões que não foram rebaixadas permanecem com porcentagens negativas em aproximadamente -15%, representando uma diminuição das inundações nessa área, devido ao escoamento para as áreas rebaixadas.
No mapa das diferenças das profundidades máximas por pixel dos valores de street burning em relação ao mesmo mapa do MDE original, há um aumento gradativo, à medida que os valores de escavação aumentam, das regiões com profundidades maiores (de 0,15 até 0,2 metros e 0,2 até 0,5 metros). Para o burning de 20 cm, quase não se notam regiões de profundidade 0,2 até 0,5, mas, para o burning de 40 cm, essas áreas estão bem aparentes em regiões de traçado de ruas, de acordo com o acúmulo do escoamento de água ao rebaixamento.
Os resultados de instante de tempo em que ocorre a profundidade máxima seguem o mesmo princípio do mapa das profundidades máximas por pixel. Quanto maior a profundidade, maior o tempo para atingi-la. No mapa que representa a diferença entre os resultados com burning de 20 cm e os resultados relativos ao MDE original, há uma presença maior de áreas que diminuíram o tempo para alcançar a profundidade máxima (-25 até -0,1 minutos) e de regiões que aumentaram o tempo para chegar na profundidade maior (0,1 até 25 minutos). Já para o burning de 40 cm a área com tempo negativo (-25 até -0,1) diminui e regiões que aumentam o tempo para alcançar a profundidade máxima estão mais aparentes. Existe bastante presença de regiões entre 0,1 até 25 minutos, e entre 25 até 50 minutos, presença das faixas <-50 e -50 até -25 minutos. O aparecimento de faixas com tempos mais negativos confirma que se necessita diminuir as profundidades em certas regiões para que aumentem em outras, seguindo o deslocamento do fluxo de água.
Figura 3 – Os mapas da primeira linha representam porcentagem de inundação, profundidade máxima por pixel e tempo da profundidade máxima de simulações sem street burning, respectivamente. Os demais se referem as diferenças dos resultados dessas variáveis obtidos com cada procedimento de burning, relativamente a rodada sem burning.
O gráfico de áreas inundadas ao longo de todo o tempo da simulação mostra que quanto maior a profundidade usada para aplicação do street burning, menor será a área de inundação (Figura 4). Como as profundidades aumentam na região de contorno de ruas, uma maior quantidade de água se concentrará, fazendo com que as demais áreas permaneçam mais rasas e com um menor volume de água. Entretanto, para as profundidades de escavação testadas, as diferenças obtidas em termos de área inundada máxima variaram de 2% na aplicação do burning com 20 cm até 2,6% no burning com 40 cm.
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Á rea In u n d a d a (m ²) Tempo (min) sem burning burning 20cm burning 30 cm burning 40 cm
Figura 4 –Gráficos da área inundada para cada valor de street burning usado em relação ao tempo de simulação
4. Conclusões
Diante dos resultados apresentados, conclui-se que a profundidade de escavação utilizada no procedimento de street burning influencia os resultados de inundações urbanas simuladas pelo modelo 2D. Quanto maior a escavação utilizada, mais as inundações tendem a concentrar-se ao longo das ruas, com maiores profundidades e maior tempo de permanência de inundação nessas regiões. Sabe-se que as ruas são realmente os caminhos preferenciais de escoamento das inundações, mas com este estudo foi possível avaliar o impacto quantitativo da variação da profundidade usada no forçamento da topografia para se ajustar ao traçado das ruas sobre as inundações resultantes.
A ocorrência de maiores profundidades em determinadas áreas significa que tais áreas são as mais críticas em termos de potencial de acarretar danos à integridade física da população e prejuízos financeiros oriundos da degradação do local, tornando-se as prioritárias para intervenções no sistema de drenagem de água pluvial. Assim, a escolha do parâmetro do procedimento de street burning impacta as análises de engenharia e tomada de decisões que se fariam a partir dos resultados das inundações. O valor desse parâmetro poderia ser realizado por meio de calibração, por comparação com mapas de inundação obtidos por imagens de sensores remotos orbitais ou aerotransportados. Outra alternativa é a obtenção de um MDE com detalhamento suficiente para representar o traçado das ruas, de forma a não ser necessária a aplicação do street burning.
5. Referências bibliográficas
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